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Dinamica e Misura delle Vibrazioni
Prof. Giovanni Moschioni
Politecnico di Milano, Dipartimento di Meccanica
Sezione di Misure e Tecniche Sperimentali
Giovanni Moschioni – [email protected]
VibrazionI 2
Il termine “vibrazione” indica una oscillazione di un sistema meccanico attorno ad un punto d'equilibrio.
Le vibrazioni possono essere divise in due categorie in funzione del “motore”:
•Vibrazioni Libere
•Vibrazioni Smorzate
Giovanni Moschioni – [email protected]
Vibrazioni libere 3
Si verificano quando un sistema meccanico vibra senza essere sottoposto ad alcuna forzante.
Idealmente, se il sistema non fosse dotato di alcun tipo di attrito, smorzamento o dispersione di energia, continuerebbe a vibrare indefinitamente nel tempo.
Un sistema non sottoposto a forzante vibra poiché le sue condizioni iniziali (spostamento, velocità ed accelerazione) all'istante iniziale sono diverse da zero.
Oppure, in altra prospettiva, in un certo istante il sistema è in condizione diversa da quella di equilibrio.
Un tipico esempio è un sistema massa – molla che viene spostato dalla condizione di riposo
Giovanni Moschioni – [email protected]
Vibrazioni forzate 4
Sono le vibrazioni presenti in un generico sistema meccanico quando esso è eccitato da una forzante.
Tra le forzanti vanno incluse sia le forze esterne, sia gli spostamenti dei vincoli del sistema.
Un tipico esempio è rappresntato da un’automobile che percorre una strada sconnessa o dalla centrifuga di una lavatrice.
Nel prosieguo ci occuperemo principalmente di vibrazioni di questo tipo che costituiscono la stragrande maggioranza delle situazioni pratiche.
Giovanni Moschioni – [email protected]
5Analisi di sistemi vibranti
I fondamenti dell'analisi delle vibrazioni possono essere compresi studiando il “modello” semplice massa – molla – smorzatore.
m
Massa (m)
Rigidezza (k)
Smorzamento (r)
Giovanni Moschioni – [email protected]
Terminologia: Massa
Nel sistema ad un grado di libertà la “massa” rappresenta e riassume in sé le proprietà inerziali del sistema meccanico. Normalmente, ma non necessariamente, queste coincidono con la massa vera e propria.
Le forze che la massa scambia con l’esterno sono dovute unicamente all’accelerazione che la massa stessa subisce.
Ne deriva, ad esempio, che con la nostra schematizzazione di massa, le forze aerodinamiche, che dipendono dalla velocità e non dall’accelerazione, non sono modellabili
6
F m x= ⋅ &&
Giovanni Moschioni – [email protected]
Terminologia: Molla
Nel sistema ad un grado di libertà la “molla”rappresenta e riassume in sé le proprietàelastiche del sistema meccanico. Normalmente, ma non necessariamente, queste coincidono con un elemento elastico o con qualche forza che richiama la “massa”verso la posizione di riposo.
La molla, in un sistema meccanico ad un grado di libertà, fornisce una forza proporzionale allo spostamento rispetto alla sua posizione “a riposo”.
L’equazione che lega. forza, spostamento e rigidezza della molla è:
7
F k x= ⋅
Giovanni Moschioni – [email protected]
Terminologia: Smorzatore\ 8
F r x= ⋅ &
Nel sistema ad un grado di libertà lo smorzamento” rappresenta e riassume in sé le proprietàdissipative del sistema meccanico.
Normalmente queste coincidono con fenomeni viscosi quali attriti fra elementi o all’interno di singoli elementi del sistema, resistenze aerodinamiche e similiLo smorzatore, in un sistema meccanico ad un grado di libertà, fornisce una forza proporzionale alla velocità. Questa forza, èrappresentata dall’equazione:
Giovanni Moschioni – [email protected]
Terminologia 9
Riassumendo:
•massa=>inerzia=>kg
•molla=>rigidezza=>N/m
•smorzamento=>dissipazione=>Ns/m
Giovanni Moschioni – [email protected]
Terminologia: Deflessione statica
Come interagiscono massa e rigidezza in un sistema ad un grado di libertà?
Immaginiamo di appendere una massa ad una molla con asse verticale.
10
Eguagliando la forza elastica kx al peso mg della massa si ottiene il bilancio di forze
mg=kxda cui si calcola la deflessione statica, x
Tanto più aumenta la massa, tanto più la deflessione aumenta.
Tanto più aumenta la rigidezza, tanto piùla deflessione statica diminuisce mg
xk
=
Giovanni Moschioni – [email protected]
Terminologia: Pulsazione propria
La pulsazione propria è la frequenza (espressa in radianti/secondo) con la quale il sistema ad un grado di libertà oscilla se perturbato rispetto alla sua condizione di equilibrio.
Il valore della frequenza propria è funzione del rapporto fra rigidezza e massa
Gli stessi parametri (k e m) influenzano la deflessione statica: un sistema con frequenza propria elevata ha sempre una deflessione statica contenuta e viceversa.
In ottica diversa: un sistema rigido ha poca deflessione
11
m
k=ω
Giovanni Moschioni – [email protected]
Analisi moto del sistema meccanico 1gdl
Il sistema meccanico ad un grado di libertà può essere studiato mediante il metodo degli equilibri dinamici, che èun bilancio di forze che variano nel tempo.
La somma dinamica di tutte le forze a cui è soggetta la massa (forze viscose, elastiche e di inerzia) deve essere pari alla forzante applicata.
Giovanni Moschioni – [email protected]
13Equazioni di moto – Risposta Libera
L’equazione delle vibrazioni libere si ottiene risolvendo l’equazione differenziale omogenea:
0=++ kxxrxm &&&
La soluzione è di tipo armonico smorzato
Il tempo di assestamento dipende dal rapporto tra smorzamento e smorzamento critico.
Lo smorzamento critico è quello per cui il sistema ritorna allo stato di riposo senza compiere oscillazioni
Giovanni Moschioni – [email protected]
14Equazioni di moto – Risposta Forzata
L’equazione delle vibrazioni forzate si ottiene risolvendo l’equazione differenziale:
ϕω +=++ tjeFkxxrxm 0
&&&
La soluzione è di tipo armonico; l’ampiezza del moto dipende dal rapporto tra pulsazione della forzante e pulsazione propria del sistema meccanico.
X
ϕω +tjeF0
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Risposta in frequenza
Se la frequenza della forzante è molto piccola rispetto alla frequenza naturale il rapporto è 1: fondazione rigida
Se la frequenza della forzante è pari alla frequenza naturale il rapporto tende a infinito: risonanza
Se la frequenza della forzante è molto maggiore della frequenza propria il rapporto tende a zero: fondazione sospesa
2
2 2
x
y ω
Ω=
− + Ω
&&
&&
2 4 6 8 100
10
20
30
40
50
frequenza [Hz]
X/Y
": m
odulo
[m
m/m
m]
FdT1 f( )
FdT2 f( )
FdT3 f( )
FdT4 f( )
f
Giovanni Moschioni – [email protected]
Risposta in frequenza
Fondazione RigidaFondazione
Sospesa
Risonanza
2 4 6 8 100
10
20
30
40
50
frequenza [Hz]
X/Y
": m
odulo
[m
m/m
m]
FdT1 f( )
FdT2 f( )
FdT3 f( )
FdT4 f( )
f
Giovanni Moschioni – [email protected]
17Equazioni di moto – Spostamento di vincolo
Grandezze x: spostamento velocità e accelerazione relative fra massa sismica e corpo.
Grandezze y: spostamento rispetto ad un riferimento fisso, la velocità del corpo e la sua accelerazione.
corpo vibrante
Moto del corpo:
Y
X
Che legame esiste fra grandezze x e y?
L’equilibrio della massa m è governato dalla seguente relazione
ymkxxrxm &&&&& −=++
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18Equazioni di moto – Spostamento di vincolo
L’analisi del sistema meccanico ad un grado di libertà con uno spostamento imposto al vincolo è di particolare interesse per la realizzazione di sistemi di misura delle vibrazioni.
corpo vibrante
Moto del corpo:
Y
X
Immaginiamo che la vibrazione Y sia quella di un sistema vibrante e cerchiamo di analizzare come il sistema ad un grado di libertà solidale al sistema vibrante modifichi la sua vibrazione rispetto a quello.
Giovanni Moschioni – [email protected]
19Equazioni di moto
Dall’equazione per il moto con spostamento imposto si ricava
È possibile definire la funzione di trasferimento X/Y come il rapporto tra lo spostamento relativo X e lo spostamento imposto Y al variare della pulsazione
krjm
YmX
++−=
ωω
ω2
2
22
2
2
2
Ω+Ω+−=
++−==
ωξω
ω
ωω
ωω
ω
jkrjm
m
Ye
Xe
y
xtj
tj
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20Funzione di trasferimento
Il rapporto X/Y è una grandezza complessa ed è quindi dotata di un modulo e di una fase.
2 4 6 8 104
3
2
1
0
X/Y
: fa
se [
rad
] arg FdT1 f( )( )
arg FdT2 f( )( )
arg FdT3 f( )( )
arg FdT4 f( )( )
f
Fondazione Rigida
Fondazione Sospesa
Risonanza
Giovanni Moschioni – [email protected]
21Fondazioni Rigide
Al di sotto della risonanza si ha la zona cosiddetta delle fondazioni rigide.
Lo spostamento relativo tra la massa ed il vincolo è nullo, ovvero il moto imposto al vincolo si trasmette in modo integrale alla massa
Fondazione
rigida
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22Fondazioni Sospese
Al di sopra della risonanza si ha la zona cosiddetta delle fondazioni sospese.
Lo spostamento relativo tra la massa ed il vincolo (cioè il corpo vibrante) èquantitativamente pari allo spostamento del vincolo, ovvero la massa è ferma.
È possibile sfruttare questo principio per misurare i terremoti
Fondazione
sospesa
Giovanni Moschioni – [email protected]
23Sistema 1 g.d.l.
Se anziché il rapporto fra spostamenti si analizza il rapporto fra spostamento e accelerazione ottengo (partendo da un identico sistema ad 1 GDL) una funzione di trasferimento diversa 2 4 6 8 10
0
10
20
30
40
50
frequenza [Hz]
X/Y
": m
od
ulo
[m
m/m
m]
FdT1 f( )
FdT2 f( )
FdT3 f( )
FdT4 f( )
f
2 4 6 8 100
1
2
3
4
frequenza [Hz]
X/Y
: fa
se [
rad
] arg FdT1 f( )( )
arg FdT2 f( )( )
arg FdT3 f( )( )
arg FdT4 f( )( )
f
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Sistemi 1gdl: corpo rigido nello spazio
• Il sistema ad un grado di libertà appena descritto prevede il moto in una sola direzione.
• Se consideriamo l’estensione al caso pratico, un corpo rigido ha nello spazio sei gradi di libertà (tre di traslazione e tre di rotazione)
• L’applicabilità del modello ad 1 gdl è limitata
24
Giovanni Moschioni – [email protected]
Sistemi meccanici 2 – n gradi di libertà
Sistemi meccanici più complessi presentano una risposta in frequenza che prevede una pulsazione propria per ogni grado di libertà del sistema.
I sistemi ad un grado di libertà hanno una frequenza propriaUn sistema a quattro gradi di libertà ha quattro frequenze proprie….Un sistema ad n gradi di libertàha n frequenze proprie
25
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26Schematizzazione di sistemi complessi
Il sistema meccanico ad un grado di libertà permette di schematizzare sistemi meccanici complessi
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27Schematizzazione di sistemi complessi
Anche sistemi molto complessi vengono schematizzati partendo dal sistema ad un grado di libertà
Giovanni Moschioni – [email protected]
Sistemi Continui
• Nelle schematizzazioni viste finora massa, smorzamento e rigidezza sono possedute da uno specifico elemento
• In pratica, la molla è una molla ideale, priva di massa e priva di ogni dissipazione energetica.
• Allo stesso modo, l’elemento smorzante è privo di massa e presenta uno smorzamento viscoso.
• ... ma ...
• Nei sistemi reali (continui) ciascuna parte infinitesima di un corpo possiede caratteristiche sia inerziali, elastiche e dissipative
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Giovanni Moschioni – [email protected]
Sistemi Continui
• I sistemi reali possono essere visti come sistemi discreti con un numero infinito di gradi di libertà
• Una trave in acciaio incastrata può essere discretizzata in un numero grande a piacere di elementi infinitesimi
• Ciascuno di questi elementi è dotato di una massa, di una propria rigidezza e di uno smorzamento
• Lo studio dei sistemi continui parte dallo studio del comportamento di un concio di trave infinitesima.
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Giovanni Moschioni – [email protected]
Vibrazione flessionale di una trave
• Isoliamo dalla trave un tronco di lunghezza infinitesima dx in posizione generica
• Le forze che agiscono sul tronco sono:• la forza di inerzia dFi• le azioni di taglio T(x) e
T(x+dx) sulle facce di sinistra e di destra dell’elemento
• I momenti flettenti M(x) e M(x+dx) sulle due facce dell’elemento.
30
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Equilibrio delle Forze
• Imponendo l’equilibrio dinamico alla rotazione del tronco di trave si ottiene
• Imponendo l’equilibrio dinamico alla traslazione si ottiene
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Equazioni di moto - Soluzioni
• L’equazione della deformata ammette una soluzione stazionaria con equazioni di moto nella forma
• Si noti come la soluzione ha una componente α che dipende dallo spazio ed una componentde β che dipende dal tempo. Semplificando si ottiene
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Giovanni Moschioni – [email protected]
Equazioni di moto - Soluzioni
• Separando la soluzione nel tempo da quella nello spazio si ottengono due equazioni
• L’equazione che descrive la componente temporale è l’equazione tipica dei moti armonici, che ammette soluzione di moto sinusoidale
• L’equazione che descrive la componente spaziale può essere risoltaponendo
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Giovanni Moschioni – [email protected]
Frequenze proprie e modi di vibrare della trave
• I modi di vibrare possono essere trovati imponendo nella soluzione generale descritta nel lucido precedente e le condizioni al contorno cui la trave è soggetta agli estremi.
• In particolare, è necessario imporre che la deformata all’incastro sia nulla e che le due estremità della trave siano in condizione di equilibrio
• Risolvendo, nel caso più semplice di trave incernierata sui due estremi, si ottiene
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Modi di vibrare – caso cerniera cerniera
• Ciascuna deformata coincide con un modo di vibrare
• Sebbene siano rappresentati solamente tre modi, un sistema continuo ha infinti modi di vibrare
• La frequenza dei modi di vibrare aumenta (il primo modo è quello a frequenza piu bassa)
• In generale, anche per i sistemi continui quasi sempre lo studio si riduce ad un numero limitato di modi significativi
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Vibrazioni nei Continui
Come calcolare le frequenze proprie di una trave libera?
Dove kn si ricava dalla seguente equazione
Si veda esempio a lato
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Giovanni Moschioni – [email protected]
38
Si cerca un modo alternativo alla visualizzazione nel tempo per dare i valori di frequenza, ampiezza e di ritardorispetto ad un riferimento iniziale della generica sinusoide
Spettri
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39
Se poi le sinusoidi che compongono il segnale sono più di una, il discorso visto si ripete per tutte le singole sinusoidi, originando lo SPETTRO del segnale, che deve essere definito in MODULO e FASE.
tempo
Ampiezza(potenza) frequenza
Misure dominiodel tempo
Tempo e Frequenza
Spettri
Misure neldominio dellefrequenze
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40
Ipotesi di
linearità
Spettri
Scomposizione in N sinusoidi traslate e scalate
SegnaleFT
Spettro del segnale
Spettri delle sinusoidi
t
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ESEMPIO: SEGNALE DI FORZA NEL DOMINIO DEL TEMPO
Spettri: esempi
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SEGNALE DI FORZA NEL DOMINIO DELLE FREQUENZE
Spettri: esempi
Giovanni Moschioni – [email protected]
43
y = A1sin(ΩΩΩΩt+ϕϕϕϕ1) + A2sin(2ΩΩΩΩt+ϕϕϕϕ2)
ϕϕϕϕϕϕϕϕ11111111
AA11111111
ReRe
ImIm ΩΩΩΩΩΩΩΩ
ϕϕϕϕϕϕϕϕ22222222
AA22222222
2Ω2Ω2Ω2Ω2Ω2Ω2Ω2Ω
Spettri di segnali con Spettri di segnali con pipiúú armonichearmoniche
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Spettri di segnali con Spettri di segnali con pipiúú armonichearmoniche
storia temporalestoria temporale
800800
x(t)x(t)
500500
00
--300300tt
spettro (modulo)spettro (modulo)
0000
200200
200200 400400
400400
ff
AA
RMSRMSTT
xx (t)(t)dtdtTT
======== ∫∫∫∫∫∫∫∫11 22
00
(tempo)(tempo) ==AA
ii∑∑∑∑∑∑∑∑22
22
((frequenzfrequenze)e)
ii==00
NN
MediaMediaTT
x x dtdt
TT
======== ∫∫∫∫∫∫∫∫11
Giovanni Moschioni – [email protected]
45Misura delle vibrazioni
Cosa si può misurare della vibrazione?
Principalmente lo spostamento, che avrà una funzione del tempo e della frequenza del tipo:
s=Asenωωωωt
si può anche misurare la velocità che avrà una funzione
v=ωωωωAcosωωωωt
si può anche misurare l’accelerazione che avrà una funzione:
a=-ωωωω2222Asenωωωωt
si tenga in considerazione che senωωωωt e cosωωωωt oscillano fra -1 e +1.
Giovanni Moschioni – [email protected]
46Come misurare le vibrazioni?
In realtà generalmente lo strumento più usato èl’accelerometro.
Vediamo perché...
Giovanni Moschioni – [email protected]
47Schema dell’accelerometro
elemento elastico k elemento smorzante r
massa sospesa m
corpo vibrante
Moto del corpo: yyy &&& ,,
corpo di macchina o oggetto di indagine
xxx &&&,,
Sistema 1 grado di libertà
Giovanni Moschioni – [email protected]
48Sistema 1 g.d.l.
Se anziché il rapporto fra spostamenti si analizza il rapporto fra spostamento e accelerazione ottengo (partendo da un identico sistema ad 1 GDL) una funzione di trasferimento diversa.
Se si ottimizzano i parametri di massa e rigidezza...
2 4 6 8 100
10
20
30
40
50
frequenza [Hz]
X/Y
": m
od
ulo
[m
m/m
m]
FdT1 f( )
FdT2 f( )
FdT3 f( )
FdT4 f( )
f
2 4 6 8 100
1
2
3
4
frequenza [Hz]
X/Y
: fa
se [
rad
] arg FdT1 f( )( )
arg FdT2 f( )( )
arg FdT3 f( )( )
arg FdT4 f( )( )
f
Giovanni Moschioni – [email protected]
49Accelerometro
Si ottiene uno strumento per la misura dell’accelerazione assoluta
Giovanni Moschioni – [email protected]
50Accelerometro
Molle rigide
Scatola e massa interna hanno la stessa accelerazione
Frequenza propria elevata (> 1000 Hz)
Piccole dimensioni
Strumento pronto per frequenze minori della frequenza propria dove:
k
m
y
x=
Ω=
2
1
&&
Distanza circa costante
Misura forza trasmessa F
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51Tipi di Accelerometro
Con vibrometro relativo
Piezoaccelerometro
ICP (integrated circuit piezoelectric)
Servoaccelerometro
Giovanni Moschioni – [email protected]
52PIEZOACCELEROMETROProprietà dei sensori al quarzo
Il quarzo è un materiale piezoelettrico:
se sollecitato lungo l’asse elettrico si creano delle cariche di segno opposto sulle due facce proporzionali alla forza (circa 2 pC/N)
FF
+ + + + ++ + + + +
-- -- -- -- -- --FF
+ + + + ++ + + + +
------
FF
-- -- -- -- --
+ + + + ++ + + + +FF
-- -- -- -- --
++++
++
[ ] [ ]
[ ]
=
=
⋅⋅
⋅
=
=⋅
=
2
2
2
2
F
F
s
m
pC
s
mkg
pCS
F N
pCSpC Q
s
mxS
s
mxkgm
N
C&&
&&
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54PIEZOACCELEROMETRO
La molla è data dall’elemento in quarzo (rigidezza elevata)
La massa è molto piccola frequenza propria elevata (> 1000 Hz)
Giovanni Moschioni – [email protected]
55PIEZOACCELEROMETRO
La risposta alle basse frequenze è limitata dalle proprietàpiezoelettriche (alle basse frequenze conta la funzione di trasferimento determinata dalla presenza del condensatore di adattamento di impedenza)
La risposta alle alte frequenze è limitata dalla risonanza meccanica
+ 50 db+ 50 db
+ 3 db+ 3 db
00
-- 3 db3 db±± 5 % 5 % rangerange
±± 10 10 %range%range ffnn
SensibilitSensibilitàà
Giovanni Moschioni – [email protected]
56PIEZOACCELEROMETRO influenza della massa sulla banda passante (a pari rigidezza del quarzo)
Giovanni Moschioni – [email protected]
57PIEZOACCELEROMETRO la risposta in frequenza è completa solo se si considera anche la fase
Giovanni Moschioni – [email protected]
58PIEZOACCELEROMETRO sensibilità trasversale dell’Accelerometro
La sensibilità trasversale dipende dal tipo di accelerometro e comunque è inferiore dell’ 1 %
Giovanni Moschioni – [email protected]
59Configurazione catena di misura
La configurazione “Minima” della catena di misura è la seguente
TrasduttoreFiltro
+Amplificatore
Convertitore
Gra
ndez
za d
a M
isur
are
Ela
bora
zion
e D
ati